高エネルギー重イオンビームによる燃料電池用ナノ構造制御電解質膜の開発; プロトン伝導性の照射イオン依存性

Development of nano-structure controlled polymer electrolyte fuel-cell membranes using high-energy heavy-ion beams; Irradiating-ion dependence of their proton conductivity

八巻 徹也; 関根 敏彦*; 澤田 真一; 越川 博; 鈴木 晶大*; 寺井 隆幸*; 浅野 雅春; 前川 康成

Yamaki, Tetsuya; Sekine, Toshihiko*; Sawada, Shinichi; Koshikawa, Hiroshi; Suzuki, Akihiro*; Terai, Takayuki*; Asano, Masaharu; Maekawa, Yasunari

直径が数nmから数百nmに及ぶ高速イオンの潜在飛跡に直接グラフト重合を施すことで、その円柱状領域にスルホン酸基を集積させたナノ構造制御電解質膜が作製できる。今回われわれは、この電解質膜の特性に対する照射イオン依存性に着目し、特にプロトン伝導性の観点から詳細を検討したので報告する。実験では、照射イオンビームを56MeV N, 150MeV Ar, 450MeV Xeの3種に変化させ、潜在飛跡ができる限り重ならず互いに孤立するよう、それぞれ3.010, 3.010, 3.010ions/cmのフルエンスで照射した。既報に従い、イオン交換容量(IEC)が0.8-1.4meq/gの電解質膜を作製し、それらのプロトン伝導率(温度80C, 相対湿度95%)を調べたところ、同じIECの下でも照射イオンによって大きく異なるという興味深い結果が得られた。IECと潜在飛跡の直径、照射フルエンスから計算されるスルホン酸基の局所的な導入量(密度)によって、この結果を説明することができた。

My presentation deals with the application of high-energy heavy ion beams from the cyclotron accelerator of Takasaki Ion Accelerators for Advanced Radiation Application (TIARA), JAEA. Our strategic focus is centered on using nano-scale controllability of the ion-beam processing; the membrane preparation involves (1) the irradiation of commercially-available base polymer films with 56 MeV N, 150 MeV Ar, and 450 MeV Xe beams, (2) graft polymerization of a styrene monomer into electronically-excited parts along the ion trajectory, called latent tracks, and (3) sulfonation of the graft polymers. Interestingly, the resulting membranes exhibited the proton conductivities which were largely dependent on the track structures of the bombarding particles. This finding can be rationalized by considering the local density of the proton-conductive sulfonic-acid groups introduced in the membranes.